一种激光和超声波双重方式的隧道除冰设备及其使用方法与流程

本发明涉及隧道除冰技术领域，更具体地说，本发明涉及一种激光和超声波双重方式的隧道除冰设备及其使用方法。

背景技术：

一些隧道受自然环境的恶劣影响，每到冬季，山体的渗水会从隧道伸缩缝沿墙壁流入线路两侧的水沟，低温使得隧道拱顶与侧壁上极易形成巨大冰柱，如果不及时除冰，一旦这些冰柱侵入接触网限界，强大的高压电弧将使供电接触网跳闸停电，甚至会烧断接触网线索，打坏机车受电弓，造成接触网跳闸、断线等设备故障，将会对冬春运行车安全带来不利影响；而当隧道壁的滴水因低温形成冰墙，侵入安全限界、蔓延过轨道，则随时可能造成列车颠覆脱轨，后果更为严重。为保证冬春季车辆运行安全，每年深冬与初春之时，不仅是人们战冬运保春运的关键期，也是打冰繁忙期。

传统的冰柱处理工作通常由人工完成，利用长大笨重的绝缘冰镐进行敲击使之坠落，首先，这种绝缘打冰镐操作起来较难控制，除冰速度慢，效率低；其次，由于除冰人员携带长大冰镐行走在车来车往的线路上，并利用列车间隔时间除冰，近似于虎口拔牙、火中取栗，危险性极高；同时，由于人工作业体力及往返路程的制约，往往除冰速度不及结冰速度，无法满足被冰柱影响的设备对除冰效率的基本要求。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种激光和超声波双重方式的隧道除冰设备及其使用方法，本发明所要解决的技术问题是：如何快速、准确的对隧道内冰柱进行自动处理。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光和超声波双重方式的隧道除冰设备，包括底座和设置于底座上端的支撑柱，所述支撑柱的上端设置有云台，所述支撑柱的内部固定安装有方位力矩电机，所述方位力矩电机的输出端固定连接云台的底端中间位置，所述云台的上端固定设置有支撑板，所述支撑板的上端两侧均固定设置有轴承座，其中一个所述轴承座的外端固定安装有仰卧力矩电机，所述仰卧力矩电机的输出端固定连接有支撑杆，所述支撑杆的两端均转动设置在两个轴承座上，所述支撑杆的一侧焊接有发射筒，所述发射筒的内部固定设置有激光器本体，所述发射筒的内部位于激光器本体的一侧设置有光束准直器，所述发射筒的输出口处设置有聚焦镜，所述支撑杆远离发射筒的一侧固定设置有超声波发生器，所述超声波发生器的输出端连接有超声波换能器，所述底座的上方设置有校准机构，所述校准机构包括方位校准机构和仰卧校准机构，所述方位校准机构包括固定设置于支撑柱上端一侧的第一指针，所述云台的底端边缘部间隔均匀的设置有第一刻度，所述底座的上端嵌入设置于第一摄像头，所述仰卧校准机构包括设置于支撑杆上的第二刻度和指向第二刻度的第二指针，所述轴承座的内侧壁上嵌入设置有第二摄像头，所述第一摄像头和第二摄像头的输出端与图像信号放大电路电性连接，所述图像信号放大电路与图像分析对比单元电性连接，所述支撑柱的内部固定设置有微控制器和误差分析单元，所述发射筒的外侧设置有冷却系统。

在一个优选的实施方式中，所述冷却系统包括有风冷系统和水冷系统，所述风冷系统包括安装于支撑板内部的微型电机，所述微型电机的输出端固定连接有扇叶，所述扇叶设置于支撑杆的正下方。

在一个优选的实施方式中，所述水冷系统包括设置于底座上的储液箱，所述储液箱的一端固定设置有水泵，所述发射筒的外侧设置有水冷夹套，所述水泵的输出端通过输液管连通水冷夹套，所述水冷夹套的输出端通过循环管与储液箱连接。

在一个优选的实施方式中，所述第一摄像头设置于第一指针的正下方，所述第二指针设置于支撑杆的正上方，所述第二摄像头与第二指针的角度为45°。

在一个优选的实施方式中，所述图像信号放大电路能够将第一摄像头和第二摄像头采集的图像数据进行放大。

在一个优选的实施方式中，所述图像分析对比单元与除冰设备的主机系统电性连接，所述图像分析对比单元与误差分析单元电性连接。

在一个优选的实施方式中，所述微控制器与误差分析单元、除冰设备的主机系统、方位力矩电机、仰卧力矩电机、激光器本体、超声波发生器、超声波换能器和冷却系统均电性连接。

一种激光和超声波双重方式的隧道除冰设备的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：除冰设备的主机系统对隧道内部的冰柱进行识别定位，并根据冰柱的坐标判断除冰设备距离冰柱的距离，若冰柱距离除冰设备的距离小于1m，选择使用超声波对冰柱进行处理，若冰柱距离除冰设备的距离大于或等于1m，选择使用发射筒内部的激光器本体对冰柱进行处理，利用微控制器根据选择的除冰方式推断出方位力矩电机和仰卧力矩电机在水平方位和竖直方向上转动的角度；

步骤二：根据步骤一中得出的角度，先利用微控制器控制方位力矩电机带动云台在水平方向上转动一定角度，使得云台从初始位置转动一定角度，第一摄像头对第一指针指向云台上第一刻度的位置进行检测，第一摄像头将拍摄的图像数据传输给图像信号放大电路，图像信号放大电路将图像数据放大后传输给图像分析对比单元，图像分析对比单元将分析得到的数据与步骤一中得出的数据进行对比，利用误差分析单元对误差进行分析，若误差在可接受范围内，则完成发射筒或超声波换能器在水平方向的调节，若误差较大，微控制器打开方位力矩电机，方位力矩电机继续带动云台转动，直至云台的转动角度与推断角度接近为止；

步骤三：微控制器控制仰卧力矩电锯带动支撑杆转动一定角度，支撑杆带动发射筒和超声波换能器转动，利用第二摄像头对第二指针指向支撑杆上的第二刻度进行拍摄，第二摄像头将拍摄的图像数据传输给图像信号放大电路，图像信号放大电路将图像数据放大后传输给图像分析对比单元，图像分析对比单元将分析得到的数据与步骤一中得出的数据进行对比，利用误差分析单元对误差进行分析，若误差在可接受范围内，则完成发射筒在竖向方向的调节，若误差较大，微控制器打开仰卧力矩电机，仰卧力矩电机继续带动支撑杆转动，直至支撑杆的转动角度与推断角度接近为止；

步骤四：微控制器控制打开激光除冰系统和冷却系统或超声波除冰系统，激光除冰时，激光器本体发出的激光经过光束准直器的校直和聚光镜的聚合后对冰柱进行快速消融，微控制器控制激光器本体间断式发射对冰柱进行处理，激光器本体每间隔一分钟打开一次，每次工作两分钟，而冷却系统中的微型电机带动扇叶转动，能够对发射筒进行风冷散热，而水泵能够将储液箱中的冷却液抽送到水冷夹套中，利用水冷夹套中的冷却液对发射筒进行冷却，吸收热量后的冷却液通过循环管循环回到储液箱中，而超声波除冰时，超声波发生器发出特定频率的超声波，经过超声波换能器的处理后对准冰柱，能够使冰柱快速破碎；

步骤五：对冰柱消融完成后，将方位力矩电机和仰卧力矩电机回复到初始位置，方便对下一个冰柱的消除。

与现有技术相比，本发明的技术效果和优点：

1、本发明通过设置有校准机构，校准机构能够对发射筒的水平转动角度和竖直旋转角度进行检测，根据冰柱的坐标推断出发射筒或超声波在水平方位和竖直方向上转动的角度，校准机构检测的数据与推断出的数据进行比较，若校准机构检测的数据与推断出的数据误差较大时，微控制器控制力矩电机进行调整，保证激光器或超声波对冰柱处理的准确度；

2、本发明通过设置有风冷系统和水冷系统，利用风冷和水冷双重冷却方式对激光器本体进行冷却，使得激光器本体的冷却效果更好，防止大功率激光器烧毁，通过设置有光束准直器和聚光镜，光束准直器能够大大抑制光速扩散，提高激光器本体的传输距离和加热效率；

3、本发明设置有超声波发生器和超声波换能器，能够利用激光除冰或者超声波除冰，能够对不同距离的冰柱进行清理，而且超声波除冰结构简单，具有轻质化、低成本、低能耗、破冰效果好等优点，对环境影响较小，能够有效控制频率及强度，精准作用于冰柱，对周围设备环境无有害影响，对铁路机车、信号、供电设备运行无干扰。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的主视结构示意图。

图3为本发明支撑杆的结构示意图。

图4为本发明云台的仰视结构示意图。

图5为本发明发射筒的内部结构示意图。

图6为本发明的电路结构示意图。

图7为本发明的使用流程示意图。

附图标记为：1底座、2支撑柱、3云台、4方位力矩电机、5支撑板、6轴承座、7仰卧力矩电机、8支撑杆、9发射筒、10激光器本体、11光束准直器、12聚焦镜、13第一指针、14第一刻度、15第一摄像头、16第二指针、17第二摄像头、18图像信号放大电路、19图像分析对比单元、20微控制器、21扇叶、22储液箱、23水泵、24水冷夹套、25输液管、26误差分析单元、27微型电机、28超声波发生器、29超声波换能器、30第二刻度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1-7所示的一种激光和超声波双重方式的隧道除冰设备，包括底座1和设置于底座1上端的支撑柱2，所述支撑柱2的上端设置有云台3，所述支撑柱2的内部固定安装有方位力矩电机4，所述方位力矩电机4的输出端固定连接云台3的底端中间位置，所述云台3的上端固定设置有支撑板5，所述支撑板5的上端两侧均固定设置有轴承座6，其中一个所述轴承座6的外端固定安装有仰卧力矩电机7，所述仰卧力矩电机7的输出端固定连接有支撑杆8，所述支撑杆8的两端均转动设置在两个轴承座6上，所述支撑杆8的一侧焊接有发射筒9，所述发射筒9的内部固定设置有激光器本体10，所述发射筒9的内部位于激光器本体10的一侧设置有光束准直器11，所述发射筒9的输出口处设置有聚焦镜12，所述支撑杆8远离发射筒9的一侧固定设置有超声波发生器28，所述超声波发生器28的输出端连接有超声波换能器29，所述底座1的上方设置有校准机构，所述校准机构包括方位校准机构和仰卧校准机构，所述方位校准机构包括固定设置于支撑柱2上端一侧的第一指针13，所述云台3的底端边缘部间隔均匀的设置有第一刻度14，所述底座1的上端嵌入设置于第一摄像头15，所述仰卧校准机构包括设置于支撑杆8上的第二刻度30和指向第二刻度30的第二指针16，所述轴承座9的内侧壁上嵌入设置有第二摄像头17，所述第一摄像头15和第二摄像头17的输出端与图像信号放大电路18电性连接，所述图像信号放大电路18与图像分析对比单元19电性连接，所述支撑柱2的内部固定设置有微控制器20和误差分析单元26，所述发射筒9的外侧设置有冷却系统。

进一步的，所述冷却系统包括有风冷系统和水冷系统，所述风冷系统包括安装于支撑板5内部的微型电机27，所述微型电机57的输出端固定连接有扇叶21，所述扇叶21设置于支撑杆8的正下方。

进一步的，所述水冷系统包括设置于底座1上的储液箱22，所述储液箱22的一端固定设置有水泵23，所述发射筒9的外侧设置有水冷夹套24，所述水泵23的输出端通过输液管25连通水冷夹套24，所述水冷夹套24的输出端通过循环管与储液箱22连接。

进一步的，所述第一摄像头15设置于第一指针13的正下方，所述第二指针16设置于支撑杆8的正上方，所述第二摄像头17与第二指针16的角度为45°。

进一步的，所述图像信号放大电路18能够将第一摄像头15和第二摄像头17采集的图像数据进行放大。

进一步的，所述图像分析对比单元19与除冰设备的主机系统电性连接，所述图像分析对比单元19与误差分析单元26电性连接。

进一步的，所述微控制器20与误差分析单元26、除冰设备的主机系统、方位力矩电机4、仰卧力矩电机7、激光器本体10、超声波发生器28、超声波换能器29和冷却系统均电性连接。

一种激光和超声波双重方式的隧道除冰设备的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：除冰设备的主机系统对隧道内部的冰柱进行识别定位，并根据冰柱的坐标判断除冰设备距离冰柱的距离，若冰柱距离除冰设备的距离小于1m，选择使用超声波对冰柱进行处理，若冰柱距离除冰设备的距离大于或等于1m，选择使用发射筒9内部的激光器本体10对冰柱进行处理，利用微控制器20根据选择的除冰方式推断出方位力矩电机4和仰卧力矩电机7在水平方位和竖直方向上转动的角度；

步骤二：根据步骤一中得出的角度，先利用微控制器20控制方位力矩电机4带动云台3在水平方向上转动一定角度，使得云台3从初始位置转动一定角度，第一摄像头15对第一指针13指向云台3上第一刻度14的位置进行检测，第一摄像头15将拍摄的图像数据传输给图像信号放大电路18，图像信号放大电路18将图像数据放大后传输给图像分析对比单元19，图像分析对比单元19将分析得到的数据与步骤一中得出的数据进行对比，利用误差分析单元26对误差进行分析，若误差在可接受范围内，则完成发射筒9或超声波换能器29在水平方向的调节，若误差较大，微控制器20打开方位力矩电机4，方位力矩电机4继续带动云台3转动，直至云台3的转动角度与推断角度接近为止；

步骤三：微控制器20控制仰卧力矩电锯7带动支撑杆8转动一定角度，支撑杆8带动发射筒9和超声波换能器29转动，利用第二摄像头17对第二指针16指向支撑杆8上的第二刻度30进行拍摄，第二摄像头17将拍摄的图像数据传输给图像信号放大电路18，图像信号放大电路18将图像数据放大后传输给图像分析对比单元19，图像分析对比单元19将分析得到的数据与步骤一中得出的数据进行对比，利用误差分析单元26对误差进行分析，若误差在可接受范围内，则完成发射筒9在竖向方向的调节，若误差较大，微控制器20打开仰卧力矩电机7，仰卧力矩电机7继续带动支撑杆8转动，直至支撑杆8的转动角度与推断角度接近为止；

步骤四：微控制器20控制打开激光除冰系统和冷却系统或超声波除冰系统，激光除冰时，激光器本体10发出的激光经过光束准直器11的校直和聚光镜12的聚合后对冰柱进行快速消融，微控制器20控制激光器本体10间断式发射对冰柱进行处理，激光器本体10每间隔一分钟打开一次，每次工作两分钟，而冷却系统中的微型电机27带动扇叶21转动，能够对发射筒9进行风冷散热，而水泵23能够将储液箱22中的冷却液抽送到水冷夹套24中，利用水冷夹套24中的冷却液对发射筒9进行冷却，吸收热量后的冷却液通过循环管循环回到储液箱22中，而超声波除冰时，超声波发生器28发出特定频率的超声波，经过超声波换能器29的处理后对准冰柱，能够使冰柱快速破碎；

步骤五：对冰柱消融完成后，将方位力矩电机4和仰卧力矩电机7回复到初始位置，方便对下一个冰柱的消除。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。